中国水泥行业二氧化碳排放达峰路径研究

贺晋瑜，何 捷，王郁涛，范永斌，石红卫，蔡博峰，严 刚

1.生态环境部环境规划院，北京 100012

2.中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024

3.中国水泥协会，北京 100073

4.中国建材联合会，北京 100037

2020 年9 月22 日，习近平总书记在第75 届联合国大会一般性辩论会上提出，中国将提高国家自主贡献力度，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和.水泥行业是国民经济重要基础行业，为国家建设提供了重要的原材料保障，在工业化、城镇化、现代化进程中发挥了重要作用.水泥行业也是CO2排放的重点行业之一，其直接碳排放量占全球工业碳排放总量的1/4 左右[1-3].我国是世界上生产水泥最多的国家[4-5]，2020 年我国水泥产量为24×108t，占全球水泥总产量的一半以上.研究表明，我国水泥行业CO2直接排放占全国CO2排放总量的12%左右[6-8]，其中工业过程排放占全国工业过程排放的60%以上.

近年来，我国水泥行业科技研发投入不断增加，企业向装备大型化、生产集约化、智能化、清洁化方向转变.但随着水泥熟料产量的增加，我国水泥行业CO2排放量仍持续增长.目前，我国水泥熟料产能过剩局面仍未改变，西北、华北、东北地区产能利用率不足50%；日产2 500 t 及以下的水泥熟料生产线产能占比约30%，规模结构仍有提升空间；20%左右的水泥熟料产能达不到GB 16780−2012《水泥单位产品能源消耗限额》中可比熟料综合煤耗限定值，仍需挖潜改造；此外，水泥行业是主要的耗煤行业之一[9]，我国水泥行业采用的替代燃料种类较少，替代燃料应用不足.面对气候变化、环境风险挑战、能源资源约束等问题，水泥行业仍需持续推动清洁低碳发展.开展我国水泥行业碳达峰路径研究，对推动产业结构调整和行业绿色低碳高质量发展具有重要意义.

科学预测未来水泥需求，是开展水泥行业碳达峰路径研究的基础.已有研究采用的预测方法有两类：①基于计量经济学的趋势外推法，包括经济发展同步法、固定资产投资法等[10-11]，但这种方法只适用于短期预测，且现有研究对水泥需求的影响因素考虑较为单一；②通过类比分析的方法研究发达国家水泥消费趋势，提出人均水泥需求增长规律，模拟中国未来水泥需求[12]，但由于国情等差异，预测结果可能出现偏差.对于水泥行业CO2排放控制的研究多从碳减排技术的减排潜力[13-16]以及对大气污染物的协同减排效益[17]等方面开展，针对中国水泥行业碳达峰路径的系统研究还较为鲜见.鉴于此，笔者提出使用多因素拟合分析模型和下游需求法对2021−2035 年中国水泥需求进行预测，并统筹考虑水泥熟料消费需求、技术进步等因素，设计水泥行业CO2排放情景，对水泥行业开展全链条、分阶段的行业发展与碳排放趋势分析，研究水泥行业碳达峰路径.

1 方法与数据

1.1 技术路线

为系统开展我国水泥行业碳达峰路径研究，基于重点行业/领域碳达峰路径研究方法(CAEP-CP-Sectors)，结合行业技术特点，构建了水泥及水泥熟料产量预测、碳排放情景设计、碳排放趋势分析为主要内容的研究框架，对不同阶段水泥行业发展和CO2排放趋势进行预测分析.综合分析水泥行业碳达峰的具体路径，并在此基础上提出推进水泥行业碳达峰的主要政策建议.水泥行业碳达峰路径研究技术路线如图1所示.

图1 我国水泥行业碳达峰路径研究框架Fig.1 Framework for carbon peak pathway in cement industry in China

1.2 行业发展预测方法

采用多因素拟合分析法、类比分析法和下游需求预测法分别预测水泥熟料消费量，并基于消费量预测，在水泥熟料进口量不低于现有水平[18]的预期下，对水泥熟料产量进行测算.依据水泥熟料系数，计算水泥产量.

多因素拟合分析法.经济发展模式和结构变化对水泥熟料需求会产生较大影响，主要的影响因素包括城镇化率、人均GDP、固定资产形成总额、三次产业结构、固定资产投资结构等.分析水泥熟料消费与上述影响因素的相关关系，建立多因素拟合分析模型，预测我国水泥熟料和水泥消费量.多因素拟合分析计算公式：

式中：Y为熟料消费量，108t；An为模型赋权；f(X1)为水泥熟料消费量与城镇化率的相关函数；f(X2)为人均水泥熟料消费量与人均GDP 的相关函数；f(X3)为水泥熟料消费量与固定资本形成总额的相关函数；f(X4)为水泥熟料消费量与三次产业结构的多元线性函数；f(X5)为水泥熟料消费与投资结构的多元线性函数.

类比分析法.发达国家或地区水泥消费达到峰值后，虽然会有不同程度的波动，但消费量总体呈下降趋势，直至达到基本稳定的状态.英国、法国、日本等国家和地区水泥消费达到峰值5 年后人均水泥消费量约为峰值的83%；10 年后人均水泥消费量为峰值的73.2%，日本、韩国等亚洲国家仍保持在峰值的80%左右[19].参考发达国家或地区水泥消费达峰后人均年水泥消费量的变化情况，基于我国经济平稳发展，无内外部因素导致水泥消费发生突变的假设，对我国中长期水泥消费量进行预测.

下游需求预测法.从水泥需求构成来看，房地产和基础设施建设在水泥需求中占主要部分，其中，在“十四五”及今后较长时期内，投资趋势存在最大不确定性的是房地产业，其投资走势对水泥需求的影响起主要作用.在房地产政策平稳持续的假设下，依据房屋竣工面积的预测，对水泥熟料和水泥消费量进行测算，计算公式：

式中：Af为房屋竣工面积，108m2；ca为单位建筑面积的水泥消耗量，t/m2；pf为房屋建设水泥需求占水泥总需求的比例，%.

水泥熟料系数分析.目前，国外多数国家水泥熟料系数在70%～80%之间，美国等国家水泥熟料系数已超过80%[20].我国水泥熟料系数自2014 年的56.7%提至2020 年的67.5%，但与国外大部分国家相比仍然较低.结合近年来我国水泥熟料系数的变化趋势以及世界主要国家和地区水泥熟料系数水平，预测2025 年、2030 年我国水泥熟料系数将分别提至72%和75%左右.

1.3 情景设置

结合水泥熟料及水泥产量的预测，考虑结构调整、节能技术改造、原燃料替代等措施，设置了水泥行业2021−2035 年CO2排放情景.其中，基准情景仅考虑社会、经济发展等对水泥熟料及水泥需求的影响(即采用多因素拟合分析+类比分析法预测结果)，单位产品能耗水平、原燃料结构保持2020 年现状；高需求情景和低需求情景则分别采用多因素拟合分析+类比分析法和下游需求预测法的产量预测结果，同时考虑水泥行业现状排放特征、单位产品能源消耗限额标准要求及减碳措施可行性等[21-24]，设计了2025 年、2030 年和2035 年的CO2排放控制措施(见表1).

表1 水泥行业2021—2035 年CO2 排放情景设计Table 1 Scenarios of CO2 emissions in cement industry from 2021 to 2035

1.4 碳排放分析方法

根据水泥及水泥熟料产量的预测，测算2021−2035 年水泥行业CO2排放量.水泥行业CO2排放包括工业过程的CO2直接排放(主要由石灰质原料在熟料煅烧过程中受热分解产生)，能源活动导致的CO2直接排放(主要为燃料燃烧产生)，以及外购电力消耗引起的CO2间接排放.根据2006 年《IPCC 国家温室气体清单编制指南》《中国水泥生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》[25-26]，水泥行业CO2排放量计算公式：

式中：ECO2为 水泥行业CO2排放量，t；Ep为工业过程CO2排放量，t；Ec为能源活动CO2排放量，t；Ei为CO2间接排放量，t；Qcl为 熟料产量，t； FRCaO为熟料中CaO的含量，%； FRMgO为 熟料中MgO 的含量，%；Ccl为吨熟料煤耗，t/t (以标准煤计)；EFc为燃料燃烧的CO2排放因子，t/t (以标准煤计)；Ecl为吨熟料电耗，kW·h/t；EFe为网电CO2排放因子，t/(kW·h)；Qce为水泥产量，t；Ece为吨水泥电耗，kW·h/t.

1.5 数据来源

1.5.1 需求预测参数

参考国内外权威机构预测，结合国内外疫情防控和经济发展现状，并综合有关机构的研究对2021−2035 年我国城镇化率、人均GDP、固定资产形成总额、三次产业结构、固定资产投资结构等进行赋值[27-30].房屋竣工面积、单位建筑面积的水泥使用量、房屋建设水泥需求占水泥总需求的比例参考文献[31-32].

1.5.2 排放因子

熟料中CaO 和MgO 的含量采用水泥企业调研数据.CO2排放因子参考《中国水泥生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》《省级温室气体排放清单编制指南》[26,33].

2 结果与讨论

2.1 行业排放现状和特征

2.1.1 水泥及水泥熟料产量

自1985 年以来，我国水泥产量已连续35 年稳居世界第一位.2014 年我国水泥产量达到阶段性高点(24.8×108t)，2015−2020 年水泥产量基本在22×108～24×108t 之间波动.2020 年全国水泥产量为23.8×108t，人均水泥消费量约1 700 kg.近年来，我国水泥产品结构发生了变化，高标号水泥使用比例增长，在水泥消费量进入平台期的同时，水泥熟料消费量仍持续增加.2020 年全国水泥熟料产量创历史新高，达15.8×108t，较2010 年增长约37.1%，总体呈年均3%的增长趋势(见图2).

图2 2010—2020 年我国水泥与水泥熟料产量Fig.2 Production of cement and cement clinker from 2010 to 2020 in China

2.1.2 水泥熟料产能分布

我国设计水泥熟料产能约18.2×108t，实际年产能超过20×108t.从区域分布来看，水泥熟料产能排名前5 位的省份分别为安徽省、山东省、四川省、广东省、河南省，其中安徽省、山东省、四川省水泥熟料产能均大于1×108t.水泥熟料产能利用率的区域差异较大，全国产能利用率约为75%，其中，华东、中南、西南地区产能利用率在80%左右，而西北、华北、东北地区不足50%，产能过剩局面依然没有改变.

2.1.3 水泥生产线规模结构

近年来，我国水泥熟料生产线单线规模逐年上升，平均规模从2013 年的3 205 t/d 升至2019 年的3 610 t/d.目前，2 500 t/d 及以下水泥熟料生产线产能约占总产能的28%(见图3)，从行业结构调整和技术发展预测，“十四五”期间仍有进一步提升的空间.

图3 我国不同规模水泥熟料新型干法生产线产能占比Fig.3 Capacity proportion of different scale new dry cement clinker production lines in China

2.1.4 水泥行业能源结构及单位产品能耗

水泥生产能耗主要包括热耗和电耗两部分，能源结构以燃煤为主，煤炭占水泥生产所消耗能源的80%～85%.根据900 余条水泥熟料生产线实际运行情况[34]分析，正常运行的熟料生产线熟料烧成煤耗在92～128 kg/t (以标准煤计)之间，熟料综合电耗在45～66 kW·h/t 之间，熟料综合能耗在98～136 kg/t(以标准煤计)之间.综合考虑窑系统余热发电折算对单位产品煤耗的影响，目前仍有20%左右的水泥熟料产能达不到GB 16780−2012 中现有企业可比熟料综合煤耗限定值，仍需挖潜改造.

2.1.5 水泥行业CO2排放现状

随着水泥熟料产量的增加，我国水泥行业CO2排放量持续增长(见图4).根据计算，2020 年我国水泥行业CO2排放量为13.7×108t，较2010 年增长了29.2%.其中，CO2直接排放13.0×108t (工业过程CO2排放8.3×108t，能源活动CO2排放4.7×108t)，CO2间接排放为0.7×108t.

图4 2010−2020 年我国水泥行业CO2 排放情况Fig.4 CO2 emissions of cement industry from 2010 to 2020 in China

2.2 行业发展预测结果

2.2.1 水泥熟料及水泥产量

采用多因素拟合分析+类比分析法和下游需求预测法对2021−2035 年我国水泥熟料及水泥产量进行预测(见图5).由图5 可见：中国水泥熟料产量在“十四五”期间仍有一定上升空间，“十四五”之后我国经济进入平稳阶段，经历一个规划周期的建设高峰，投资需求在“十五五”时期将趋于平缓，水泥市场需求下降.多因素拟合分析+类比分析法预测我国水泥熟料产量将在2023 年达到峰值16.5×108t，“十四五”期间将保持在16.2×108～16.5×108t 之间，2025 年、2030 年和2035 年水泥熟料产量分别为16.2×108、14.2×108和13.0×108t；下游需求预测法预测我国水泥熟料产量将在2022 年达到峰值16.0×108t，2025 年、2030 年和2035 年水泥熟料产量分别为15.2×108、13.6×108和12.7×108t.

图5 我国水泥熟料和水泥产量预测Fig.5 Prediction of cement clinker and cement outputs in China

2.2.2 单位产品能耗分析

基于水泥单位产品能耗现状，依据所设计的情景中落后产能淘汰、熟料烧成系统节能改造等措施要求以及高效粉磨等技术的推广进度，计算2025 年、2030 年和2035 年水泥单位产品平均能耗(见图6).随着落后产能的淘汰和高效节能技术的推广，我国水泥单位产品的平均能耗将进一步降低.到2030 年，单位熟料平均煤耗将较2020 年下降7%，单位熟料和单位水泥平均电耗将分别较2020 年下降13%和15%左右.

图6 水泥行业单位产品能耗分析Fig.6 Analysis of energy consumption per unit product in cement industry

2.3 行业碳排放预测及达峰路径

2.3.1 2021−2035 年CO2排放趋势

基于设计的排放情景，计算2021−2035 年我国水泥行业CO2排放量，结果如图7、8 所示.由图7、8可见：基准情景下水泥行业2030 年CO2排放量为12.3×108t，比2020 年减少1.4×108t.在高需求情景下，水泥行业CO2排放量在2023 年达到峰值，为14.2×108t，其中，能源活动CO2排放量为4.9×108t，工业过程CO2排放量为8.7×108t；2030 年CO2排放量为11.7×108t，比2020 年减少2×108t.在低需求情景下，水泥行业CO2排放量将在2022 年达到峰值，为13.8×108t，其中，能源活动CO2排放量为4.8×108t，工业过程CO2排放量为8.4×108t；2030 年CO2排放量为11.2×108t，比2020 年减少2.5×108t.

图7 不同情景下我国CO2 排放量变化趋势Fig.7 Trends of CO2 emissions under different scenarios in China

2.3.2 行业碳达峰路径

基于对不同情景下水泥行业碳排放趋势的分析，通过全面加强产能控制、加大落后产能淘汰力度、推广高效节能技术、积极推进原燃料替代等措施，可推动水泥行业碳排放于“十四五”中期达峰，峰值为13.8×108～14.2×108t，其中，工业过程排放8.4×108～ 8.7×108t，能源活动排放4.8×108～4.9×108t；经过2～3年的峰值平台期后呈持续下降的趋势，到2030 年水泥行业碳排放量将较2020 年下降15%～18%.

图8 2021—2035 年不同情景下我国工业过程、能源活动及间接CO2 排放量Fig.8 CO2 emissions from industrial processes,energy activities and indirect emissions under different scenarios from 2021 to 2035 in China

随着经济社会的绿色转型，我国水泥熟料产量将下降并带动行业碳排放量的减少.在单位产品能耗、原燃料结构等保持现状的情况下，仅考虑水泥熟料及水泥产量的变化，2030 年水泥行业CO2排放量(基准情景排放量)将较2020 年减少1.4×108t；在低需求情景下，水泥熟料及水泥需求进一步减少，将使水泥行业峰值排放量及2030 年排放量分别较高需求情景减少0.4×108和0.5×108t.从各项控制措施对减排的贡献(见图9)来看：节能改造将是水泥行业CO2减排潜力最大的措施，到2030 年节能改造措施(含淘汰落后产能带来的能效提升)可带动水泥行业CO2排放量较基准情景减少0.38×108t；其次是燃料替代，到2030 年该措施可带动行业CO2排放量较基准情景减少0.17×108t；此外，原料替代可使水泥行业工艺过程CO2排放减少0.07×108t.

图9 水泥行业碳达峰路径和主要减排措施的贡献Fig.9 Pathway of carbon emissions peak for cement industry and contribution of main emission reduction measures

2.4 行业碳达峰路径政策建议

2.4.1 完善相关产业政策

建议研究修订《产业结构调整指导目录》，提高水泥熟料落后产能和过剩产能淘汰标准，将2 000 t/d及以下普通水泥熟料、1 000 t/d 及以下特种水泥生产线列入“淘汰类”.鼓励大型骨干水泥企业联合设立产业结构调整专项资金，促进水泥熟料过剩产能的退出.支持各类社会资本参与水泥企业并购重组，提升水泥产业集中度，充分发挥大型骨干企业的示范引领作用.

2.4.2 强化节能约束机制

建议加强节能执法监管，开展水泥单位产品能耗限额标准执行情况的专项节能监察.依据企业能效水平实施差别电价政策，促进企业技术进步和绿色发展.建议将水泥企业单位产品能耗纳入重污染天气行业绩效分级管控体系，实施差别化低碳环保管理，对单位熟料生产煤耗大于3 级能耗限额的水泥熟料生产企业全面加严环保分级管控要求.

2.4.3 加大税收金融政策支持力度

建议研究调整资源综合利用税目录，将生活垃圾或生活垃圾预处理可燃物纳入资源综合利用水泥产品的废渣目录范围，推动提高行业原燃料替代比例.鼓励金融机构出台政策对水泥企业低碳技术研发[35]及低碳改造项目给予优惠信贷支持.支持水泥企业发行企业债券进行直接融资，募集资金用于实施低碳技术改造.建议地方政府固定资产投资项目优先选用低碳水泥产品.

2.4.4 推动实施行业碳排放控制及碳排放权交易

建议有关部门制定“十四五”“十五五”水泥行业碳排放总量控制目标，对于大气污染重点区域、水泥碳排放较大的地区，积极实施行业碳排放减量控制试点.推动行业全面进入碳排放权交易市场，充分发挥市场机制，开展水泥行业碳盘查，推进企业碳减排.

3 结论

a)我国水泥行业2020 年碳排放量为13.7×108t，其中工业过程排放占60%，能源活动排放占35%，间接排放占5%.通过全面加强产能控制、加大落后产能淘汰力度、推广高效节能技术、积极推进原燃料替代等措施，预计行业CO2排放量可于“十四五”中期达峰，峰值为13.8×108～14.2×108t，经过2～3 年的峰值平台期后呈持续下降的趋势，到2030 水泥行业碳排放量将较2020 年下降15%～18%.

b)随着经济社会的绿色转型，我国水泥产量将下降，并带动行业碳排放量的减少.仅考虑水泥熟料及水泥产量的变化，我国水泥行业2030 年CO2排放量将较2020 年减少1.4×108t.因此，要推进水泥行业碳达峰及持续减排，必须要加强产量控制，严格执行水泥熟料产能减量置换；避免过度房地产化的开发建设方式和大拆大建等导致的水泥过度消费.

c)在推进水泥行业CO2减排的各项技术措施中，高效节能改造是当前阶段最有效的措施，到2030 年单位熟料煤耗下降7%，可带动水泥行业CO2排放较2020 年减少0.38×108t.使用生活垃圾等固体废物替代燃煤也是重要的行业减碳措施，若采用燃料替代技术的生产线比例提至40%，可带动行业CO2排放减少0.17×108t.目前，我国仅约5%的生产线开展了固体废物协同处置，应持续加大水泥行业综合利用固体废物力度.